專(zhuān)利名稱(chēng)：具有最小化轉(zhuǎn)換誤差的a/d轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
該發(fā)明涉及一種A/D轉(zhuǎn)換器，尤其涉及一種管道轉(zhuǎn)換器(pipelineconverter)。
背景技術(shù)：
A/D轉(zhuǎn)換器用于將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換通常是通過(guò)把未知模擬信號(hào)與已知參考值進(jìn)行比較來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換來(lái)說(shuō)，有一系列不同的轉(zhuǎn)換方式對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行放大，即，將其與預(yù)定的權(quán)重因子相乘，或者劃分參考信號(hào)，即，使其除以預(yù)定的權(quán)重因子。
圖1所示是具有級(jí)A、B、C三個(gè)級(jí)管道轉(zhuǎn)換器。同樣地，管道轉(zhuǎn)換器也將模擬信號(hào)ain與參考值進(jìn)行比較，但不同的是將未知模擬信號(hào)ain放大兩倍，并與常數(shù)參考變量REF進(jìn)行比較。所示三級(jí)管道轉(zhuǎn)換器包含采樣&保持級(jí)S/HA級(jí)，用來(lái)對(duì)模擬輸入信號(hào)ain進(jìn)行采樣和保持。另外，在每個(gè)級(jí)A-C中還包含加權(quán)或增益因子k＝2的放大器VA(或加權(quán)單元)和比較器KA，比較器KA用來(lái)將數(shù)字轉(zhuǎn)換后的模擬輸入信號(hào)ain與參考值REF進(jìn)行比較。如果數(shù)字轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)ain大于參考值REF，則在減法節(jié)點(diǎn)S，從兩倍放大后的模擬信號(hào)ain中扣除參考值REF，并將得到的差值轉(zhuǎn)移到下一轉(zhuǎn)換級(jí)B中的采樣&保持級(jí)S/HB。反過(guò)來(lái)，如果模擬信號(hào)ain小于預(yù)定參考值，則將兩倍放大后的模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)移到下一轉(zhuǎn)換級(jí)B的采樣&保持級(jí)S/HB。
在第一種情況下，轉(zhuǎn)換級(jí)A產(chǎn)生邏輯數(shù)字值“1”，而在第二種情況，產(chǎn)生邏輯數(shù)字值“0”。這樣，每個(gè)級(jí)A-C產(chǎn)生的一位(D/b)，這些位一起產(chǎn)生了可以位于0到2n-1之間的數(shù)字二進(jìn)制碼(n是轉(zhuǎn)換級(jí)的數(shù)目)。在這種情況下，因?yàn)榉糯笃鱒的加權(quán)或增益因子是2，所以數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果的位權(quán)等于2。
對(duì)于逐次近似轉(zhuǎn)換器，在轉(zhuǎn)換結(jié)果被確定之前需要n次循環(huán)，并且只有這時(shí)，才有可能再次開(kāi)始進(jìn)行新的轉(zhuǎn)換，圖1所示的管道轉(zhuǎn)換器中的轉(zhuǎn)換結(jié)果顯然直到n次循環(huán)后才是無(wú)效的，但是可以緊跟在級(jí)A中的第一循環(huán)之后，將要轉(zhuǎn)換的下一模擬值移入管道中。
兩種轉(zhuǎn)換器類(lèi)型的精度都取決于用于乘以或除以模擬信號(hào)或參考值的除法或乘法因子的精度，k＝2。當(dāng)用基數(shù)2加權(quán)時(shí)，在SA轉(zhuǎn)換器的情況下導(dǎo)致除法因子為1/2、1/4、1/8等的因子2的精度以及在管道轉(zhuǎn)換器的情況下的乘法因子2的精度是非常重要的。在這些權(quán)重因子中產(chǎn)生的誤差會(huì)立即影響到數(shù)字最終結(jié)果。下面舉一個(gè)例子8位DA轉(zhuǎn)換器可以把未知模擬信號(hào)或參考變量量化為28＝255個(gè)電平。此A/D轉(zhuǎn)換器具有與十進(jìn)制數(shù)128的量化電平相對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)。將此模擬信號(hào)與參考值作比較，而參考值是通過(guò)劃分預(yù)定參考變量而得到的(例如，將預(yù)定參考變量乘以因子3/8)。例如，利用正確的劃分，將得到與小于模擬值128的量化電平127相對(duì)應(yīng)的參考值。但是，考慮到除法因子(3/8)的不精確，與對(duì)應(yīng)于128或129的十進(jìn)制值的比較也會(huì)給出模擬值大于參考值的結(jié)果。由于針對(duì)量化電平的參考值不正確地小于模擬值，針對(duì)比較而輸出的結(jié)果是“1”，而不是“0”。
除了由轉(zhuǎn)換器進(jìn)行的加權(quán)(除法、乘法)的不精確，瞬態(tài)信號(hào)電壓也會(huì)影響到A/D轉(zhuǎn)換器的精度。在放大器V、比較器K和減法節(jié)點(diǎn)S的輸入和輸出信號(hào)中常常會(huì)有瞬態(tài)信號(hào)，瞬態(tài)信號(hào)具有過(guò)沖，例如，只有經(jīng)過(guò)特定的衰減時(shí)間，才會(huì)衰減為常數(shù)值。
在n位轉(zhuǎn)換器中，需要n次確定來(lái)獲得n位數(shù)字字，而每一次確定都應(yīng)至少準(zhǔn)確到最終數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果的量化電平。n位轉(zhuǎn)換器中所能夠達(dá)到的比較操作和其他操作的執(zhí)行速度取決于轉(zhuǎn)換器中要處理的信號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在SA轉(zhuǎn)換器的情況下，需要大量的時(shí)間來(lái)利用數(shù)字控制器和DA轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生具有所需精度的必要參考值。在圖1所示的管道轉(zhuǎn)換器的情況下，放大器V達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之前，需要一些時(shí)間。如果由A/D轉(zhuǎn)換器執(zhí)行的這些操作執(zhí)行得過(guò)快，將可能導(dǎo)致誤差。
為了降低誤差的頻率、進(jìn)而提高A/D轉(zhuǎn)換器的精度，人們已經(jīng)嘗試使用具有冗余碼的A/D轉(zhuǎn)換器。具有冗余碼的A/D轉(zhuǎn)換器的區(qū)別在于用來(lái)將未知模擬信號(hào)與之進(jìn)行比較的參考值(例如，預(yù)定參考變量的3/4)不會(huì)形成對(duì)后續(xù)比較的取值范圍的限制，而是根據(jù)比較結(jié)果，使用或大或小的數(shù)值。下面將通過(guò)舉例，更詳細(xì)地說(shuō)明這一點(diǎn)將模擬信號(hào)量化為0到255之間的數(shù)值的8位轉(zhuǎn)換器具有其模擬值對(duì)應(yīng)于十進(jìn)制量化數(shù)128的模擬信號(hào)輸入其中。在級(jí)n中的比較中，將此模擬信號(hào)與對(duì)應(yīng)于十進(jìn)制值127的量化電平的參考值進(jìn)行比較。確定參考值小于模擬值。為了避免因不精確的加權(quán)或瞬態(tài)信號(hào)波動(dòng)而造成的誤差，由A/D轉(zhuǎn)換器執(zhí)行的下一比較并不像通常那樣涉及127到255之間的數(shù)值范圍選擇，而是涉及從如120等較小數(shù)值到255之間的數(shù)值范圍選擇。這意味著稍后仍然能夠校正次要的不正確決定，而不致影響最終轉(zhuǎn)換結(jié)果。
在傳統(tǒng)的二進(jìn)制轉(zhuǎn)換器中，另一方面，一旦對(duì)位進(jìn)行了不正確的設(shè)置，則不能在后續(xù)的轉(zhuǎn)換步驟中再次對(duì)其進(jìn)行校正。
這種冗余A/D轉(zhuǎn)換器的防止誤差的特性是借助于加權(quán)因子而獲得的，如放大器V的增益因子Vk或數(shù)字控制器(加權(quán)單元4)用來(lái)根據(jù)預(yù)定參考變量產(chǎn)生參考值的除法因子等，并不基于基數(shù)2，而是基于較小的基數(shù)，如1.8等。
在具有冗余碼的SA轉(zhuǎn)換器中，用作劃分預(yù)定參考變量的參考元件不再是兩倍、四倍等(參考元件可以是電容器，電流源，電阻器等)，而是小于兩倍、四倍等。參考元件可以使數(shù)字輸出信號(hào)的一個(gè)位權(quán)發(fā)生變化，例如1、1.8、1.82、1.83等等。在圖1所示管道轉(zhuǎn)換器的情況下，這表明放大器的加權(quán)或增益因子不必須是2，而可以是1.8。
所述冗余碼A/D轉(zhuǎn)換器的一個(gè)難點(diǎn)是因子1.8不像因子2那樣只要把參考元件加一倍就能產(chǎn)生那么簡(jiǎn)單。結(jié)果，獲得的誤差原則上比在一個(gè)二進(jìn)制轉(zhuǎn)換器中要大。
作為轉(zhuǎn)換級(jí)中進(jìn)行比較的結(jié)果，每一個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)A、B、C各傳遞了數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果的一位digA、digB、digC。圖1所示的例子中，獲得冗余碼1，0，0，0。但是，數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果不是位權(quán)為2的二進(jìn)制，因此也不與十進(jìn)制數(shù)23＝8相對(duì)應(yīng)，而是基于基數(shù)1.8，所以與數(shù)1.83＝5.832相對(duì)應(yīng)。這一結(jié)果是通過(guò)式0*1+0*1.81+0*1.82+1*1.83＝5.832計(jì)算出來(lái)的。利用圖1中底部那些裝置，將轉(zhuǎn)換結(jié)果中的單獨(dú)位相加。為此目的，其包含一個(gè)用以存儲(chǔ)乘法因子MF的存儲(chǔ)器，用來(lái)與多個(gè)存儲(chǔ)元件SG和加法節(jié)點(diǎn)AK相乘。最后，位權(quán)為1.8的碼被用來(lái)產(chǎn)生二進(jìn)制碼。在通過(guò)最后一個(gè)加法節(jié)點(diǎn)AKc(底部最右邊)后，就得到了和冗余碼相關(guān)聯(lián)的二進(jìn)制碼，就是說(shuō)轉(zhuǎn)換結(jié)果是二進(jìn)制形式的。
當(dāng)由A/D轉(zhuǎn)換器執(zhí)行的針對(duì)模擬信號(hào)或參考變量的權(quán)重Vi不與所存儲(chǔ)的乘法因子(用來(lái)把冗余碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼)精確對(duì)應(yīng)時(shí)，誤差將會(huì)產(chǎn)生。
迄今為止，人們嘗試在轉(zhuǎn)換器信號(hào)電路中，通過(guò)改變針對(duì)如圖1所示的管道轉(zhuǎn)換器的增益V1來(lái)補(bǔ)償這個(gè)誤差。但這是相對(duì)復(fù)雜的。
因此，德國(guó)未審公開(kāi)說(shuō)明書(shū)DE 101 33 538.5 A1已提出一種比較容易校準(zhǔn)乘法因子MFi的A/D轉(zhuǎn)換器。
如圖2所示的基于現(xiàn)有技術(shù)的A/D轉(zhuǎn)換器不僅對(duì)將被轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)和參考變量加權(quán)，而且還對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器中的輔助信號(hào)PSR(偽隨機(jī))加權(quán)。同時(shí)，具有校準(zhǔn)放大器，用來(lái)對(duì)隨機(jī)數(shù)字信號(hào)PSR加權(quán)，可以改變其增益因子。通過(guò)由A/D轉(zhuǎn)換器加權(quán)的隨機(jī)信號(hào)PSR、由可控校準(zhǔn)放大器加權(quán)的輔助信號(hào)PSR(或者由其衍生的信號(hào))和供給給評(píng)估單元(用來(lái)執(zhí)行相關(guān)分析)的最初(沒(méi)有加權(quán))隨機(jī)信號(hào)來(lái)決定由A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的權(quán)重因子G。
圖2所示是具有關(guān)聯(lián)校準(zhǔn)裝置KAL的傳統(tǒng)管道轉(zhuǎn)換器中的轉(zhuǎn)換級(jí)A。此管道轉(zhuǎn)換器是具有冗余碼的A/D轉(zhuǎn)換器，其一般包括權(quán)重因子為2的放大器V，比較器K和減法節(jié)點(diǎn)S。
接著第一個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)A，圖2還示出第二轉(zhuǎn)換級(jí)B和第三轉(zhuǎn)換級(jí)C。
PSR信號(hào)與輸入信號(hào)的總和最終被放大器VA放大，例如因子VA＝2。模擬和信號(hào)在比較器中同樣與參考變量REF作比較。如果模擬和信號(hào)大于參考變量REF，則從兩倍放大后的和信號(hào)中扣除參考變量，并將得到的值輸出到下一轉(zhuǎn)換級(jí)B中。否則，將包含模擬輸入信號(hào)ain與數(shù)字隨機(jī)信號(hào)的兩倍放大后的模擬和信號(hào)立即轉(zhuǎn)移到下一轉(zhuǎn)換級(jí)B中，而不減去參考信號(hào)。
校準(zhǔn)裝置KAL包括可控?cái)?shù)字加權(quán)單元或校準(zhǔn)放大器和評(píng)估單元。
在管道轉(zhuǎn)換器中產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)分量是從轉(zhuǎn)換級(jí)B的輸出中分流出來(lái)的，其同樣提供給評(píng)估單元。評(píng)估單元包含減法節(jié)點(diǎn)SUB，其用來(lái)從數(shù)字轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)中減去在可控?cái)?shù)字加權(quán)單元中與權(quán)重因子G相乘后的數(shù)字隨機(jī)信號(hào)PSR。如果可控加權(quán)單元中的權(quán)重因子GA與放大器中的增益因子VA匹配，則得到的差信號(hào)DIF只包含不相關(guān)量化誤差加上輸入信號(hào)。如果權(quán)重因子和增益VA不匹配，數(shù)字隨機(jī)信號(hào)的殘余會(huì)仍然存在。
利用相關(guān)單元Rxy可以評(píng)估差信號(hào)DIF。所述相關(guān)單元進(jìn)行差信號(hào)DIF與最初的數(shù)字隨機(jī)信號(hào)PSR的互相關(guān)。相關(guān)的結(jié)果用于調(diào)整可控加權(quán)單元G中的權(quán)重因子GA，直到差值信號(hào)DIF不再包含任何數(shù)字隨機(jī)信號(hào)的殘余。
在這種情況下，例如，相關(guān)單元Rxy的輸出通過(guò)低通濾波器TP與加權(quán)單元相連。
圖3所示是基于現(xiàn)有技術(shù)的管道模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器中的轉(zhuǎn)換級(jí)的電路實(shí)現(xiàn)。
圖3示出了具有四個(gè)DAC電容器C1到C4的二位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的單端實(shí)現(xiàn)。所述DAC具有施加到其上的參考信號(hào)REF，溫度計(jì)編碼的比較器輸出信號(hào)和采樣控制信號(hào)。在采樣期間，將模擬輸入信號(hào)ain施加到DAC電容器C1到C4上。此轉(zhuǎn)換級(jí)還包含具有反饋電容器的反饋運(yùn)算放大器。
圖2所示的基于現(xiàn)有技術(shù)的管道模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器具有以下缺點(diǎn)。
為了將數(shù)字隨機(jī)信號(hào)饋入由轉(zhuǎn)換級(jí)形成的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的信號(hào)路徑中，需要附加的校準(zhǔn)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器。這會(huì)增加模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路的復(fù)雜性。
圖3所示的基于現(xiàn)有技術(shù)的轉(zhuǎn)換級(jí)包含多個(gè)DAC電容器C1、C2、C3和C4，其因?yàn)樯a(chǎn)的變化和制造容差導(dǎo)致了不同的DAC級(jí)。當(dāng)從模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的一個(gè)DAC級(jí)傳遞到另一個(gè)DAC級(jí)的時(shí)候，轉(zhuǎn)換誤差或DAC誤差就會(huì)產(chǎn)生。數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器中的這種轉(zhuǎn)換誤差被饋入信號(hào)路徑，連續(xù)通過(guò)轉(zhuǎn)換級(jí)，從而來(lái)自整個(gè)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出值將會(huì)受到干擾。

發(fā)明內(nèi)容
所以，此發(fā)明的目的是要提供一種能使轉(zhuǎn)換誤差引起的對(duì)結(jié)果的干擾最小化的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器。
本發(fā)明通過(guò)具有如權(quán)利要求1所述特征的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。
本發(fā)明提供了一種模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用來(lái)將模擬輸入信號(hào)(ain)轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出值，包括至少一個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)，其又分別包含
采樣/保持電路，采樣模擬輸入信號(hào)(ain)；比較器單元，通過(guò)將輸入信號(hào)與參考值進(jìn)行比較，從轉(zhuǎn)換級(jí)產(chǎn)生數(shù)字輸出信號(hào)；數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器，把數(shù)字輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)；減法器，用于從采樣輸入信號(hào)中減去由數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器輸出的模擬信號(hào)；信號(hào)放大器，以針對(duì)下一轉(zhuǎn)換級(jí)的特定信號(hào)增益因子對(duì)由減法器輸出的輸出信號(hào)進(jìn)行放大；以及加權(quán)單元，將數(shù)字輸出值與乘數(shù)相乘，以便與來(lái)自轉(zhuǎn)換級(jí)的另一加權(quán)輸出值相加，從而從模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生數(shù)字輸出信號(hào)；隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生被饋入轉(zhuǎn)換級(jí)的隨機(jī)信號(hào)；至少一個(gè)校準(zhǔn)單元，其又分別包含校準(zhǔn)放大器，以針對(duì)信號(hào)放大的可調(diào)校準(zhǔn)增益因子放大隨機(jī)信號(hào)；評(píng)估單元，使饋入信號(hào)路徑并被轉(zhuǎn)換級(jí)放大的隨機(jī)信號(hào)與由校準(zhǔn)單元中的校準(zhǔn)放大器放大后的隨機(jī)信號(hào)相關(guān)聯(lián)，以產(chǎn)生用于設(shè)置校準(zhǔn)增益因子的設(shè)置信號(hào)，從而使來(lái)自評(píng)估單元的輸出信號(hào)變?yōu)榱?，因此，?jì)算出的校準(zhǔn)增益因子與由轉(zhuǎn)換級(jí)中的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器和信號(hào)放大器所產(chǎn)生的增益相對(duì)應(yīng)；其中隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器通過(guò)能夠由校準(zhǔn)單元進(jìn)行控制的開(kāi)關(guān)，將隨機(jī)信號(hào)施加到轉(zhuǎn)換級(jí)中的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器中的校準(zhǔn)電容器(Ccal)上，從而將其饋入信號(hào)路徑中；其中隨機(jī)信號(hào)可以與數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器內(nèi)的另一DAC電容器(C1)相連接，以計(jì)算出數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器中的DAC級(jí)的相應(yīng)增益因子，以及校準(zhǔn)單元利用數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器中的DAC級(jí)的已確定信號(hào)增益(Vi)，計(jì)算DAC級(jí)之間的信號(hào)增益差值ΔVij，以便計(jì)算數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差(DAC誤差)。
本發(fā)明的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要附加的校準(zhǔn)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器，而是將已包含在轉(zhuǎn)換級(jí)中的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器用于饋入數(shù)字隨機(jī)信號(hào)。這減小了模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的電路復(fù)雜性。
在本發(fā)明的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，利用減法器使計(jì)算出的轉(zhuǎn)換誤差(DAC誤差)從來(lái)自轉(zhuǎn)換級(jí)的數(shù)字輸出值中扣除，以補(bǔ)償誤差。
在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，將計(jì)算出的信號(hào)增益(Vi)緩沖存儲(chǔ)到校準(zhǔn)單元中的寄存器中。
校準(zhǔn)單元優(yōu)選地計(jì)算已緩沖存儲(chǔ)的信號(hào)增益的平均值。所述信號(hào)增益是由所使用的DAC電容器(C1、C2、C3、C4)引入的。
由校準(zhǔn)單元將計(jì)算出的信號(hào)增益的平均值作為乘數(shù)應(yīng)用于轉(zhuǎn)換級(jí)中的加權(quán)單元。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，校準(zhǔn)單元中的校準(zhǔn)放大器具有連接在其下游的減法電路，其從來(lái)自轉(zhuǎn)換級(jí)中的信號(hào)路徑的信號(hào)中減去由校準(zhǔn)放大器進(jìn)行了放大的信號(hào)，并向評(píng)估單元輸出差信號(hào)。
包含在校準(zhǔn)單元中的評(píng)估單元優(yōu)選地使差信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)互相關(guān)。
評(píng)估單元優(yōu)選地具有連接在其下游的濾波器。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，校準(zhǔn)單元具有流控制器，用于產(chǎn)生控制信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)。
來(lái)自比較器單元的輸出值優(yōu)選地是溫度計(jì)編碼的。
在本發(fā)明的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器具有至少兩個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)，例如5個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)。
模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器優(yōu)選地是完全差分設(shè)計(jì)的。


下面參考附圖，描述了本發(fā)明模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的優(yōu)選實(shí)施例，以便說(shuō)明發(fā)明的基本特征。其中圖1所示是基于現(xiàn)有技術(shù)的管道模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器。
圖2所示是基于現(xiàn)有技術(shù)的具有校準(zhǔn)單元的另一管道模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換。
圖3所示是基于現(xiàn)有技術(shù)的轉(zhuǎn)換級(jí)的電路實(shí)現(xiàn)。
圖4所示是本發(fā)明模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的優(yōu)選實(shí)施例的方框圖。
圖5所示是本發(fā)明模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器中的轉(zhuǎn)換級(jí)的電路實(shí)現(xiàn)的優(yōu)選實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
圖4所示是基于本發(fā)明的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器1的優(yōu)選實(shí)施例。在圖4所示的例子中，只示出了兩個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)(級(jí)A，級(jí)B)，以便簡(jiǎn)化說(shuō)明。本發(fā)明的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器1優(yōu)選地具有至少兩個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)。在一個(gè)可能的實(shí)施例中，本發(fā)明的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器1具有6個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)。
轉(zhuǎn)換級(jí)之間互相串聯(lián)，并且形成模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器1中的信號(hào)路徑?；诒景l(fā)明的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器1具有模擬信號(hào)輸入2和數(shù)字輸出3。將施加到信號(hào)輸入2上的模擬輸入信號(hào)(ain)提供給第一個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)A。轉(zhuǎn)換級(jí)A包括通過(guò)采樣控制信號(hào)啟動(dòng)的采樣&保持電路34。將模擬輸入信號(hào)ain通過(guò)線(xiàn)路4A提供給比較器單元5A，所述比較器單元將采樣模擬輸入信號(hào)與參考值REF進(jìn)行比較，以便從轉(zhuǎn)換級(jí)A產(chǎn)生數(shù)字輸出值。將來(lái)自比較器單元5A的數(shù)字輸出值通過(guò)至少一位線(xiàn)路7A提供給設(shè)置在轉(zhuǎn)換級(jí)A中的開(kāi)關(guān)裝置8A和加權(quán)單元9A。例如，此數(shù)字輸出值可以是單輸出位。還將由采樣&保持電路3A采樣的輸入信號(hào)通過(guò)線(xiàn)路10A提供給減法器11A。開(kāi)關(guān)裝置8A的輸出通過(guò)線(xiàn)路12A與用于將數(shù)字輸出值轉(zhuǎn)換為模擬輸出信號(hào)的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器13A相連。為此，數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器13A通過(guò)輸入14A接收參考信號(hào)REF。數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器13A通過(guò)線(xiàn)路15A將產(chǎn)生的模擬輸出信號(hào)輸出到減法器11A。減法器11A從采樣輸入信號(hào)中減去由數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器13A產(chǎn)生的模擬輸出信號(hào)，并通過(guò)線(xiàn)路16A將所產(chǎn)生的差信號(hào)輸出到信號(hào)放大器17A中。信號(hào)放大器17A以特定的信號(hào)增益VA對(duì)從減法器11A輸出的差值信號(hào)進(jìn)行放大。信號(hào)放大器17A的輸出通過(guò)線(xiàn)路18A與另一采樣/保持電路3B相連。連接在轉(zhuǎn)換級(jí)A下游的轉(zhuǎn)換級(jí)B與轉(zhuǎn)換級(jí)A具有相同的設(shè)計(jì)。
本發(fā)明的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器1包含利用線(xiàn)路20提供隨機(jī)信號(hào)(優(yōu)選地?cái)?shù)字隨機(jī)信號(hào)PSR)給校準(zhǔn)單元21的隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器19。校準(zhǔn)單元21的電路具有如圖2所示的設(shè)計(jì)示。將隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器19產(chǎn)生的數(shù)字隨機(jī)信號(hào)PSR通過(guò)信號(hào)線(xiàn)路22施加到第一個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)A中的開(kāi)關(guān)8A上，并且通過(guò)開(kāi)關(guān)8A饋入轉(zhuǎn)換級(jí)A的信號(hào)路徑中。通過(guò)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器13A和減法器11A，向第一個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)A的放大器17A傳送已被饋入的數(shù)字隨機(jī)信號(hào)PSR，并對(duì)其進(jìn)行放大。將放大后的數(shù)字隨機(jī)信號(hào)輸出到下一轉(zhuǎn)換級(jí)B，并分流到模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器1中的另一信號(hào)路徑中。在圖6所示的例子中，通過(guò)線(xiàn)路23從下一轉(zhuǎn)換級(jí)B的比較器5B處分流放大后的數(shù)字隨機(jī)信號(hào)，并提供給校準(zhǔn)單元21，以便進(jìn)行評(píng)估。包含在校準(zhǔn)單元21中的評(píng)估單元使饋入信號(hào)路徑并被轉(zhuǎn)換級(jí)A放大的隨機(jī)信號(hào)與由校準(zhǔn)單元中的校準(zhǔn)放大器放大后的隨機(jī)信號(hào)相關(guān)聯(lián)，以產(chǎn)生用于設(shè)置校準(zhǔn)增益因子的設(shè)置信號(hào)，直到來(lái)自評(píng)估或相關(guān)單元的輸出信號(hào)變?yōu)榱?，并且?jì)算出或所設(shè)置的校準(zhǔn)增益因子與由轉(zhuǎn)換級(jí)A中的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器13A和信號(hào)放大器17A所產(chǎn)生的增益V相對(duì)應(yīng)為止。
校準(zhǔn)單元21利用控制線(xiàn)路24來(lái)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換級(jí)A中的開(kāi)關(guān)8A。為此，校準(zhǔn)單元21優(yōu)選地包含流控制器?？刂菩盘?hào)作為切換開(kāi)關(guān)裝置8A中的開(kāi)關(guān)的依據(jù)。在這種情況下，首先借助于開(kāi)關(guān)，經(jīng)由轉(zhuǎn)換級(jí)A的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器13A中的校準(zhǔn)電容器Ccal，將數(shù)字隨機(jī)信號(hào)PSR饋入信號(hào)路徑。下一步，依據(jù)控制信號(hào)，將數(shù)字隨機(jī)信號(hào)PSR相繼連接到數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器13A中另外的DAC電容器(Cj)上，以便計(jì)算出數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器中DAC級(jí)的各個(gè)信號(hào)增益。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)A的電路實(shí)現(xiàn)。
圖5示出了具有四個(gè)DAC電容器25-1、25-2、25-3、25-4的兩位數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器的單端電路實(shí)現(xiàn)。DAC電容器25可以通過(guò)可控開(kāi)關(guān)26i連接到模擬輸入信號(hào)ain。以來(lái)自中央流控制器的采樣控制信號(hào)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)26i。在采樣階段，將模擬輸入信號(hào)ain施加于DAC電容器25，也就是說(shuō)，開(kāi)關(guān)26i閉合。另外，DAC電容器25可以通過(guò)可控開(kāi)關(guān)27連接到模擬參考電壓REFp、REFn上。以從比較單元5輸出的數(shù)字輸出值驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)27。輸出值優(yōu)選地為溫度計(jì)編碼的(thermometer-coded)。DAC電容器25與減法器28連接。減法節(jié)點(diǎn)28具有連接在其下游的運(yùn)算放大器29，其具有反饋電容器30。
在采樣階段，開(kāi)關(guān)26i閉合，開(kāi)關(guān)32開(kāi)路，并且DAC電容器25與ain相連。在后續(xù)的放大階段，根據(jù)比較單元的決定，開(kāi)關(guān)26i開(kāi)路，開(kāi)關(guān)32閉合，并且DAC電容器25與REFn或REFp相連。對(duì)于增益
V=ΣciCF]]>例如當(dāng)C1＝C2＝C3＝C4且CF＝2C時(shí)，結(jié)果為V＝2。
動(dòng)態(tài)范圍，即輸出信號(hào)的幅值與最大幅值的比是50％。存在的冗余被利用，使數(shù)字隨機(jī)信號(hào)饋入信號(hào)路徑。
通過(guò)增加可激勵(lì)電容器25的數(shù)目，相關(guān)地增加比較單元5A中的比較器的數(shù)目，DAC電容器的電容與反饋電容器的電容之間的恒定比值(∑Ci/CF)增加了冗余度，并且減小了轉(zhuǎn)換級(jí)輸出處的動(dòng)態(tài)范圍。這防止了過(guò)載。在這種情況下，冗余度表示比較單元5A中比較器的數(shù)目比需要的多。
根據(jù)本發(fā)明，除了DAC電容器25，圖5所示的轉(zhuǎn)換級(jí)還具有校準(zhǔn)電容器31。校準(zhǔn)電容器31可以通過(guò)開(kāi)關(guān)32與參考電壓REF連接。數(shù)字隨機(jī)信號(hào)PSR通過(guò)線(xiàn)路22來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)32。結(jié)果，將數(shù)字隨機(jī)信號(hào)PSR通過(guò)校準(zhǔn)電容器31饋入模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器1的信號(hào)路徑中。由于制造容差，在不同的DAC電容器25-1到25-4之間產(chǎn)生了失配誤差。
圖5所示轉(zhuǎn)換級(jí)的信號(hào)增益依賴(lài)于比值∑Ci/CF，并且因?yàn)榉抢硐氲倪\(yùn)算放大器29和電容器25的制造容差而受到干擾。首先，由校準(zhǔn)單元21利用驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)32的數(shù)字隨機(jī)信號(hào)PSR來(lái)計(jì)算信號(hào)增益CAL。根據(jù)校準(zhǔn)電容器31和反饋電容器30的電容比值(CAL)，放大饋入的數(shù)字隨機(jī)信號(hào)PSR。在下一轉(zhuǎn)換級(jí)中，分路所饋入的校準(zhǔn)信號(hào)，并通過(guò)線(xiàn)路23提供給校準(zhǔn)單元21。放大后的隨機(jī)信號(hào)PSR與包含在校準(zhǔn)單元21中的放大后的隨機(jī)信號(hào)相關(guān)聯(lián)，并且調(diào)整校準(zhǔn)增益因子，直到計(jì)算出的校準(zhǔn)增益因子與信號(hào)路徑中的增益對(duì)應(yīng)為止。
下一步，校準(zhǔn)單元21利用控制線(xiàn)路24(未示出)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)，從而所提供的數(shù)字隨機(jī)信號(hào)與不同的DAC電容25-1到25-4連續(xù)地或隨機(jī)地，或者按照任何順序地相連。同樣地，校準(zhǔn)單元21計(jì)算不同的信號(hào)增益V1、V2、V3、V4。將計(jì)算出的五個(gè)信號(hào)增益Vcal(Ccal)、V1(C1)、V2(C2)、V3(C3)、V4(C4)緩沖存儲(chǔ)到校準(zhǔn)單元21的寄存器中。然后，校準(zhǔn)單元21根據(jù)DAC電容器25-1、25-2、25-3、25-4的四個(gè)緩沖存儲(chǔ)的信號(hào)增益V1、V2、V3、V4，計(jì)算出平均值V＝(V1+V2+V3+V4)4，并通過(guò)線(xiàn)路33把確定的增益因子作為乘數(shù)輸出到第一個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)A的加權(quán)單元9A中。另外，校準(zhǔn)單元21計(jì)算緩沖存儲(chǔ)的信號(hào)增益V之間的差值ΔVij，其與不同的DAC級(jí)之間的各個(gè)轉(zhuǎn)換誤差相對(duì)應(yīng)。此DAC誤差還包含校準(zhǔn)電容器31的插入。
通過(guò)加法器34和移位單元35，對(duì)由轉(zhuǎn)換級(jí)輸出且被加權(quán)單元9加權(quán)的輸出值進(jìn)行求和，以便產(chǎn)生來(lái)自模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器1的數(shù)字輸出值。
將校準(zhǔn)單元21計(jì)算出的DAC誤差通過(guò)線(xiàn)路36提供給減法器37。減法器37將計(jì)算出的轉(zhuǎn)換誤差或DAC誤差從轉(zhuǎn)換級(jí)的已確定數(shù)字輸出值中扣除，以便補(bǔ)償所述誤差。
在本發(fā)明的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器1的情況下，在后臺(tái)不斷地進(jìn)行校準(zhǔn)(后臺(tái)校準(zhǔn))。本發(fā)明的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器1補(bǔ)償信號(hào)增益誤差和轉(zhuǎn)換誤差或DAC誤差。在這種情況下，數(shù)字地且連續(xù)地計(jì)算誤差。不再需要復(fù)雜的微調(diào)(trimming)。在這種情況下，周?chē)h(huán)境溫度和電源電壓的漂移不斷地被補(bǔ)償。除了額外需要校準(zhǔn)電容器31之外，校準(zhǔn)可以完全數(shù)字地實(shí)現(xiàn)。
在本發(fā)明的校準(zhǔn)操作中，DAC電容器的電容和DAC電容器的相關(guān)增益通過(guò)用校準(zhǔn)電容器的電容代替此電容來(lái)確定。根據(jù)權(quán)重，可以計(jì)算出總增益和電平差，并在數(shù)字域內(nèi)校正計(jì)算出的數(shù)字輸出值。設(shè)置在轉(zhuǎn)換級(jí)中的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器13優(yōu)選地是完全差分設(shè)計(jì)的，并且具有高分辨率。例如，分辨率可以是4.5位的。
可以將圖4所示的校準(zhǔn)單元21分別提供給每個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，僅設(shè)置一個(gè)校準(zhǔn)單元21，其可以通過(guò)多路復(fù)用器與不同的轉(zhuǎn)換級(jí)相連。
參考符號(hào)列表1 SA轉(zhuǎn)換器2 S/H級(jí)3 比較器4 數(shù)字控制器(加權(quán)單元)5 D/A轉(zhuǎn)換器6 輸出10 管道轉(zhuǎn)換器(pipeline converter)11 S/H級(jí)12 放大器13 比較器14 減法節(jié)點(diǎn)15 存儲(chǔ)元件16 加法節(jié)點(diǎn)17 加法節(jié)點(diǎn)18 數(shù)字隨機(jī)信號(hào)19 D/A轉(zhuǎn)換器20 數(shù)字加權(quán)單元21 減法節(jié)點(diǎn)22 相關(guān)單元24 信號(hào)路徑25 評(píng)估單元26 差信號(hào)27 濾波器28 校準(zhǔn)裝置29 校準(zhǔn)路徑ain 模擬輸入信號(hào)REF 參考變量
權(quán)利要求
1.一種模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用來(lái)將模擬輸入信號(hào)(ain)轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出值，包括(a)至少一個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)，其又分別包含(a1)采樣/保持電路(3)，采樣模擬輸入信號(hào)(ain)；(a2)比較器單元(5)，通過(guò)將輸入信號(hào)與參考值(REF)進(jìn)行比較，從轉(zhuǎn)換級(jí)產(chǎn)生數(shù)字輸出信號(hào)；(a3)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(13)，把數(shù)字輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)；(a4)減法器(11)，用于從采樣輸入信號(hào)中減去由數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(13)輸出的模擬信號(hào)；(a5)信號(hào)放大器(17)，以針對(duì)下一轉(zhuǎn)換級(jí)的特定信號(hào)增益因子(V)對(duì)由減法器(11)輸出的輸出信號(hào)進(jìn)行放大；以及(a6)加權(quán)單元(9)，將數(shù)字輸出值與乘數(shù)相乘，以便與來(lái)自轉(zhuǎn)換級(jí)的另一加權(quán)輸出值相加，從而從模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(1)產(chǎn)生數(shù)字輸出信號(hào)；(b)隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器(19)，產(chǎn)生被饋入轉(zhuǎn)換級(jí)的隨機(jī)信號(hào)；(c)至少一個(gè)校準(zhǔn)單元(21)，其又分別包含(c1)校準(zhǔn)放大器，以針對(duì)信號(hào)放大的可調(diào)校準(zhǔn)增益因子放大隨機(jī)信號(hào)；(c2)評(píng)估單元，使饋入信號(hào)路徑并被轉(zhuǎn)換級(jí)放大的隨機(jī)信號(hào)與由校準(zhǔn)單元(21)中的校準(zhǔn)放大器放大后的隨機(jī)信號(hào)相關(guān)聯(lián)，以產(chǎn)生用于設(shè)置校準(zhǔn)增益因子的設(shè)置信號(hào)，從而使來(lái)自評(píng)估單元的輸出信號(hào)最小，因此，計(jì)算出的校準(zhǔn)增益因子與由轉(zhuǎn)換級(jí)中的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(13)和信號(hào)放大器(17)所產(chǎn)生的增益(V)相對(duì)應(yīng)；(d)其中隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器(19)通過(guò)能夠由校準(zhǔn)單元(21)進(jìn)行控制的開(kāi)關(guān)，將隨機(jī)信號(hào)施加到轉(zhuǎn)換級(jí)中的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(13)中的校準(zhǔn)電容器(31)上，從而將其饋入信號(hào)路徑中；(e)其中隨機(jī)信號(hào)可以與數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(13)內(nèi)的另一DAC電容器(25)相連接，以計(jì)算出數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(13)中的DAC級(jí)的相應(yīng)增益因子，以及校準(zhǔn)單元(21)利用數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(13)中的DAC級(jí)的已確定信號(hào)增益(Vi)，計(jì)算DAC級(jí)之間的信號(hào)增益差值ΔVij，以便計(jì)算數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(13)的轉(zhuǎn)換誤差(DAC誤差)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其特征是利用減法器(37)，將計(jì)算出的轉(zhuǎn)換誤差(DAC誤差)從來(lái)自轉(zhuǎn)換級(jí)的數(shù)字輸出值中扣除，以補(bǔ)償誤差。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其特征是將計(jì)算出的信號(hào)增益因子(Vi)緩沖存儲(chǔ)在校準(zhǔn)單元(21)中的寄存器中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其特征是校準(zhǔn)單元(21)計(jì)算已儲(chǔ)存信號(hào)增益之間的平均值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其特征是由校準(zhǔn)單元(21)將所計(jì)算出的信號(hào)增益的平均值作為乘數(shù)應(yīng)用于加權(quán)單元(19)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其特征是校準(zhǔn)單元(21)中的校準(zhǔn)放大器具有連接在其下游的減法電路，其從來(lái)自轉(zhuǎn)換級(jí)中的信號(hào)路徑的信號(hào)中減去由校準(zhǔn)放大器進(jìn)行了放大的信號(hào)，并向評(píng)估單元輸出差信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其特征是評(píng)估單元使差信號(hào)與數(shù)字隨機(jī)信號(hào)互相關(guān)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其特征是評(píng)估單元具有連接在其下游的濾波器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其特征是校準(zhǔn)單元(21)具有流控制器，用于產(chǎn)生控制信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其特征是來(lái)自比較單元(5)的輸出值是溫度計(jì)編碼的。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其特征是設(shè)置至少兩個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其特征是隨機(jī)信號(hào)是數(shù)字隨機(jī)信號(hào)(PSR)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其特征是模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(1)是完全差分設(shè)計(jì)的。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其特征是數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(13)具有校準(zhǔn)電容器(31)，通過(guò)所述校準(zhǔn)電容器(31)，將隨機(jī)信號(hào)饋入信號(hào)路徑中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用來(lái)將模擬輸入信號(hào)(a
文檔編號(hào)H03M1/10GK1692555SQ200380100404
公開(kāi)日2005年11月2日 申請(qǐng)日期2003年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月27日
發(fā)明者彼得·伯格納 申請(qǐng)人:印芬龍科技股份有限公司